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Titelaufnahme

Titel
Functional oxide thin films by pulsed-laser deposition: ion beam nanostructuring of epitaxial YBa2Cu3O7-d and growth of conductive transparent Zn1-xAlxO on compliant substrates / eingereicht von: Meirzhan Dosmailov
VerfasserDosmailov, Meirzhan
Begutachter / BegutachterinPedarnig, Johannes D. ; Lang, Wolfgang
Erschienen2015
Umfang148 S. : zahlr. Ill. und graph. Darst.
HochschulschriftLinz, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)gepulste Laser-Abscheidung / dünne Filme / transparente leitfähige Oxide / hoch-Tc supraleitende Oxide / Polymer-Substrate / Fluss-Schläuche / Nanostrukturierung / Haftzentren.
Schlagwörter (EN)pulsed-laser deposition / thin films / transparent conductive oxides / high-Tc superconducting oxides / polymer substrates / flux vortices / nanostructuring / pinning centers
Schlagwörter (GND)Transparent-leitendes Oxid / Dünnschichttechnik / Impulslaserbeschichten / Hochtemperatursupraleiter / Polymere / Nanostrukturiertes Material / Flussschlauch
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-3418 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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Functional oxide thin films by pulsed-laser deposition: ion beam nanostructuring of epitaxial YBa2Cu3O7-d and growth of conductive transparent Zn1-xAlxO on compliant substrates [13.1 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Änderung der YBCO Filme durch maskierte Ionenstrahlstrukturierung (MISS) und die Wechselwirkung zwischen dem Flusslinien-Gitter und dem Nanopunkt-Gitter, das durch Ionenbestrahlung hergestellt wurde. Die Motivation dieses Teils der Arbeit ist es, die Physik dieser Wechselwirkung besser zu verstehen. Die YBCO Filme wurden auf MgO Substraten durch gepulste Laserabscheidung (PLD) gewachsen. PLD ist ein Dünnfilm-Abscheidungsverfahren, bei dem ein gepulster Hochleistungs-Laserstrahl Material von einem Target abträgt, das auf einem Substrat abgeschieden wird. Dieser Prozess erfolgt in Gas Hintergrund. Der Hauptvorteil von MISS ist die direkte, kontaktlose Strukturierung von dünnen Filmen mit einer Auflösung, die im Wesentlichen durch die verwendeten Masken beschränkt ist. MISS ist ein paralleler Prozess, der zum Strukturieren größere Flächen verwendet werden kann und Oberflächenschädigung vermeidet. Die Auflösung des MISS Technik kann bis zu 10 nm für einen 100 nm dicken YBCO Film sein, der mit 75 keV He+ bestrahlt wurde. Bestrahlte YBCO Filme haben einen ca.

3-fach höheren Widerstand bei Raum-temperatur, eine stark reduzierte kritische Temperatur Tc 47K und einen verbreiterten Übergang [Delta]Tc 8 K. Eine quadratische Anordnung von Nanopunkten mit Durchmesser 175 nm und Gitterkonstante 300 nm wurde mittels Bestrahlung durch eine Silizium Maske mit entsprechenden Nano-Öffnungen erzeugt. Die Nanopunkte dienen als Haftzentren für die Fluss-Schläuche, die in supraleitenden Materialien des Typs II in Gegenwart eines Magnetfelds entstehen. Das Flusslinien-Gitter und das Nanopunkt-Gitter können kommensurabel sein, was sich in ausgeprägten Minima des Magnetowiderstands R(B) und Maxima der kritischen Stromdichte Jc(B) bei geeigneten Magnetfeldern manifestiert. Die Stromdichte Jc(B) wurde modelliert und eine starke Hysterese von R(B) und von Jc(B) wurde beobachtet (Kooperation mit Prof.

Wolfgang Lang, Univ. Wien). Es ist interessant, diese Effekte der Fluss-Schläuche weiter zu untersuchen. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt das Wachstum von Aluminium dotiertem ZnO (AZO) und reinem ZnO Dünnfilmen auf Polymersubstraten und Glassubstraten und die Anwendung dieser Filmen in organischen Solarzellen. Die Motivation dieses Teils der Arbeit ist es, mögliche Ersatzmaterialien für ITO in Photovoltaik-Anwendungen zu untersuchen.

AZO und ZnO Dünnfilme wurden auf Polyethylen-terephthalat (PET) und Fluorethylenpropylen (FEP) Polymer-Substraten mittels PLD gewachsen.

Glatte Al dotierten ZnO-Dünnfilme mit einem spezifischen Widerstand [rho] < 1,5 m&#8486; cm und einer hohen optischen Transmission T >80 % im sichtbaren Bereich wurden auf PET bei einem Sauerstoff-druck 10-3 mbar, Laserfluenz F =1 J / cm2 und einer Temperatur TS = 20-175 C hergestellt. Der Gütefaktor (FOM) für diese Filme ist 0,72 * 10-3 &#937;-1. Die Morphologie der Filme wurden durch optische Mikroskopie (OM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht, der spezifische Widerstand der Filme wurde mit der 4-Punkt-Methode und die optische Transmission wurde mit einem Spektralphotometer Cary 500 gemessen. AZO Dünnschichten auf PET wurden als Elektronen-akzeptor- und Transportschicht in organischen Solarzellen mit invertierter Struktur verwendet. Die Probenstruktur war PET / AZO / ZnO / P3HT: PCBM / MoO3 / Ag. Die Energieumwandlungseffizienz (PCE) war 2.1 %. AZO-Filme auf FEP haben Falten und einen höheren Widerstand ([rho] 10 m&#8486; cm), der sich bei Änderung der PLD Parameter nicht reduziert. AZO und ZnO Filme wurden mit Rutherford-Streuung analysiert. Stöchiometrisches Wachstum der Filme auf PET erfolgt bei Sauerstoffdruck p = 10-1 mbar für ZnO und p = 10-3 mbar für AZO (Kooperationen mit Prof. N. Serdar Sariciftci und Prof. Peter Bauer, Univ. Linz). Es ist interessant, die elektrischen Eigenschaften der AZO Dünnschichten auf Polymersubstraten zu verbessern, um höhere PCE Werte für diese organischen Solarzellen zu erreichen.

Zusammenfassung (Englisch)

This doctoral dissertation is composed of two parts. The first part of the work is dedicated to the modification of YBCO film by Masked Ion Beam Structuring (MIBS) and the commensurability effects between flux line lattice and defect lattice caused by ion irradiation. The motivation of this part of the work is to understand better the physics of the vortex matter. The YBCO film was grown on MgO substrate by Pulsed Laser Deposition (PLD) method. PLD is a thin film deposition method where high power pulsed laser beam is employed to ablate the material on the target and to deposit thin film on the substrate. This process occurs in high vacuum or in gas background. The main advantage of MIBS is the direct, non-contact structuring of superconducting devices with a resolution mainly limited by masking technique. MIBS is a parallel process that can be used for patterning large sample areas. It avoids surface degradation. The resolution of the MIBS technique can be 10 nm for a 100 nm thick YBCO film irradiated with 75 keV He+. The YBCO film modified by ion irradiation has higher resistivity by factor of 3 at temperature T =290K, and much reduced critical temperature Tc 47K and broadened transition [Delta]Tc 8K. The YBCO film was irradiated with 75keV He+. The square array of nanodots with diameter 175 nm and lattice constant 300 nm was produced using a Si stencil mask. The nanodots are serving as pinning centers for vortices that arise in the superconducting materials of type II in the presence of the magnetic field. The commensurability effects manifest themselves in pronounced minimum of magnetoresistance and pronounced maximum of the critical current at the matching fields. The entire Jc(B) is described by tentative model. Moreover, a strong hysteresis of magnetoresistance and the critical current density Jc(B) is observed (Cooperation with Prof.

Wolfgang Lang, University of Vienna). It is interesting to further investigate the physics of vortex matter.

The second part of this work is dedicated to the growth of Aluminum doped ZnO (AZO) and pure ZnO thin films on polymer substrates and on glass substrate for a comparison and the application in organic solar cells. The motivation of this part of the work is that the replacement for ITO in photovoltaic applications was tried. AZO and ZnO thin films were grown on the polymers Polyethylene terephthalate (PET) and Fluorinated ethylene propylene (FEP) by PLD method. The smooth Al doped ZnO thin films with resistivity ([rho] < 1.5 m&#8486; cm) and high optical transmission (>80%) in visible range were grown on PET at oxygen pressure 10-3 mbar, laser fluence F = 1 J/cm2, at temperature TS = 20-175C. The figure of merit (FOM) for the films is equal to 0.72*10-3 &#8486;-1. The morphology of the films was investigated by Optical Microscopy (OM) and Scanning Electron Microscopy (SEM), resistivity of the films was measured by 4 point method and optical transmission was measured by Spectrophotometer Cary 500. AZO thin films on PET are used as electron transport layer in organic solar cells with inverted structure. The sample structure was PET/AZO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag. The power conversion efficiency (PCE) is 2.1 % for these organic solar cells. AZO films on FEP have wrinkles and resistivity ([rho] 10 m&#8486; cm) and the change of PLD parameters does not improve the quality of the films. AZO and ZnO films were analyzed by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS). ZnO thin films can be stochiometrically grown on PET at pressure p = 10-1 mbar in O2 and AZO films are stochiometrically grown on PET at pressure p = 10-3 mbar in O2.(Cooperation with Prof. N. Serdar Sariciftci and Prof. Peter Bauer, Johannes Kepler University Linz). It is interesting to improve the electrical properties of AZO thin films on polymer substrates and eventually the PCE of the organic solar cells made from these samples.